Інверсна населеність рівнів
Інверсна населеність рівнів.
При хаотичному тепловому русі розподіл енергії серед атомів нерівномірно. Деяка частина атомів збуджена, що відповідає їх знаходження на більш високих, ніж основний, рівнях енергії. В умовах теплового рівноваги і при відсутності зовнішнього електромагнітного поля велика частина атомів має мінімум енергії. Образно кажучи, населеність верхніх рівнів менше населеності нижніх.
Під впливом енергетичних впливів - підвищення температури, освітлення, бомбардування швидкими частинками - частка збуджених атомів зростає, т. Е. Населеність верхніх рівнів збільшується. Цей процес ілюструється малюнком 102, а, б.
Здавалося б, у міру підвищення температури можна отримати такий розподіл часток по рівнях, при якому населеність верхніх рівнів більше, ніж нижніх. Але це не так. Адже збуджений стан нестійкий. У міру збільшення заселеності верхніх рівнів збільшується ймовірність спонтанних переходів, які супроводжуються випромінюванням.
У 1939 р радянський фізик В. А. Фабрикант висловив припущення про можливість створення такого розподілу часток по енергіях, при якому число збуджених атомів більше числа атомів, що знаходяться в основному стані (рис. 102, в). Такий стан називають станом зінверсної населенностью рівнів (від латинського inversio - перевертати).
З'ясуємо, які особливі властивості притаманні станом зінверсної населенностью рівнів.
При поширенні світла в речовині зазвичай відбувається поглинання світла. Це відбувається тому, що в стані термодинамічної рівноваги число збуджених атомів в речовині багато більше, ніж число збуджених, і, отже, фотони частіше взаємодіють з збудженого атома, т. Е. Поглинаються речовиною.
У речовині ж зінверсної населенностью рівнів число збуджених атомів більше числа збудженому. При цьому зменшується ймовірність зустрічі фотонів з незбудженим атомом, т. Е. Зменшується ймовірність поглинання фотонів. Речовина стає більш прозорим або навіть здатним посилювати світло. Дійсно, якщо в ньому рухається фотон, енергія якого в точності дорівнює різниці енергій атомів в станах (рис. 102, в), то, взаємодіючи з порушеною атомом, такий фотон викличе вимушене випромінювання. В результаті з'явиться другий такий же фотон. Взаємодіючи з іншими двома порушеними атомами, ці два фотони викличуть висвітлення ще двох атомів. В кінцевому підсумку, замість одного фотона з речовини вийде багато фотонів, що є посиленням світла. Посиленню світла сприяє та обставина, що фотони з частотою
слабо поглинаються речовиною. Середу називають активною, якщо в ній число індукованих фотонів перевищує число поглинених.
Ці особливості середовищ зінверсної населенностью рівнів були встановлені в 1951 р В. А. Фабрикант, М. М. Вудинскім і Ф. А. Бутаева.
У 1964 р Державний комітет у справах винаходів і відкриттів видав цим вченим диплом на відкриття, в якому, зокрема, говориться: «Встановлено невідоме раніше явище посилення електромагнітних хвиль при проходженні через середовище, в якій концентрація частинок або їх систем на верхніх енергетичних рівнях , відповідних порушеними станів, надлишкова в порівнянні з концентрацією в рівноважному стані ».